Система автоматической стабилизации скорости вращения планшайбы токарно-карусельного одностоечного станка 1512Ф3

ЛАЧХ_ЛФЧХ.cdw

Курсовой.doc

Федеральное агентство по образованию России
Государственное образовательное учреждение среднего и специального образования
Екатеринбургский Машиностроительный Колледж
По предмету «Теория автоматического управления»
Тема: «Система автоматической стабилизации скорости вращения планшайбы токарно-карусельного одностоечного станка 1512Ф3»
КП АУ 220301 0004 000 ПЗ
Группа 442 АТППОтделение дневное
Раздел 1. Описание технологического процесса и требований к САУ ..3
Раздел 2. Определение структуры САУ .5
1. Анализ технологического процесса как объекта управления 5
2. Выбор каналов управления ..5
Раздел 3. Выбор элементной базы САУ .7
2. Выбор исполнительного устройства 7
3. Выбор управляющего устройства 8
4. Выбор задающего устройства .8
Раздел 4. Анализ точности и работоспособности системы .9
1. Оценка точности системы в установившемся режиме ..10
2. Оценка устойчивости системы по заданному методу 11
3. Определение структуры и параметров корректирующего устройства ..
Раздел 5. Моделирование САУ .13
1. Получение графика переходного процесса на ЭВМ 13
2. Оценка качества системы ..13
Раздел 6. Разработка принципиальной схемы САУ .15
Курс теории автоматического управления ставит своей целью ознакомить с общими принципами построения систем автоматического управления с процессами в этих системах и методами их исследования. Принципы построения систем автоматического управления связаны с общими законами управления значение которых выходит далеко за пределы технических задач.
Теория автоматического управления сформировалась в самостоятельную науку в первую очередь на основе изучения процессов управления техническими устройствами. Изучение принципов построения и исследования систем автоматического управления в курсе ТАУ проводится на основе рассмотрения управления различными техническими устройствами и первое понятие которое конкретизирует довольно широкое поле деятельности этого курса является автоматическое регулирование. Под автоматическим регулированием понимают поддержание на определенном уровне или изменение по закону некоторых переменных характеристик (регулируемых величин) в машинах и агрегатах без участия человека с помощью различного рода технических средств.
Рассматриваемые принципы управления имеют более широкий общий смысл и могут быть применены при изучении процессов управления в совершенно иных системах например в биологических экономических социальных и др.
РАЗДЕЛ 1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТРЕБОВАНИЙ К САУ
Станок 1512Ф3 предназначен для токарной обработки деталей сложной конфигурации на нем можно производить обтачивание и растачивание поверхностей с криволинейными и прямолинейными образующими; сверление зенкерование и развертывание центральных отверстий; прорезание кольцевых канавок нарезание различных резьб резцами. Класс точности станка Н.
Станок главным образом предназначен для обработки больших цилиндрических деталей. Деталь устанавливается вертикально на стол резец подводится сбоку.
Важные технические характеристики станка:
Число частот вращения планшайбы 18;
Минимальная частота вращения планшайбы 5 мин-1;
Максимальная частота вращения планшайбы 25 мин-1.
Главное движение осуществляется от трехфазного асинхронного двигателя номинальной мощностью 30 кВт и номинальной частотой вращения 1460 мин-1.
Необходимость автоматического управления вращением стола.
Отказавшись от механической ступенчатой коробки передач мы получим ряд преимуществ:
- Отпадает необходимость в громоздком редукторе;
- Требуется гораздо меньшее число колес;
- Упрощается ремонт и обслуживание;
- Повышается точность обработки;
- Появляется возможность плавного регулирования частоты вращения стола.
В итоге технологическая схема станка будет выглядеть следующим образом:
Рисунок 1 - Технологическая схема САР
Теперь главное движение будет осуществляться от двигателя постоянного тока той же мощности через ту же ременную передачу как и в базовом варианте станка уменьшенный редуктор и пару конических колес.
РАЗДЕЛ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ САУ
1. Анализ технологического процесса как объекта управления
Объектом управления будет являться двигатель постоянного тока. Схематично это можно представить следующим образом:
Рисунок 2 - ДПТ как объект управления
Управляющие воздействия:
Uя - напряжение якорной обмотки;
Ф - магнитный поток.
Управляемые параметры:
w - частота вращения.
Возмущающие воздействия:
Мн - момент нагрузки;
FТР - сила трения механизмов.
dUсети - перебои сетевого напряжения;
Износ подшипников и механизмов.
2. Выбор канала управления
Наиболее важным выходным параметром в данном технологическом процессе будет являться частота вращения вала двигателя. Управление этой величиной задается изменением напряжения на якоре (Uя). Изменение напряжения будет осуществляться посредством двухкомплектного тиристорного преобразователя и СИФУ (системы импульсно-фазового управления).
Получаем следующую структурную схему:
Рисунок 3 - Структурная схема САУ
ДПТ - двигатель постоянного тока;
ТП - тиристорный преобразователь;
СИФУ - система импульсно-фазового управления;
УЧ - управляющая часть.
УЧ данной системы включает в себя элемент сравнения фильтры и регуляторы (с токовым выходным сигналом).
Сигнал с УЧ поступает в СИФУ которая в свою очередь изменяет угол управления тиристорами и подает управляющие импульсы на них.
ТП предназначен для управления частотой вращения вала двигателя и преобразует трехфазное выходное напряжение в однофазное напряжение питания ДПТ.
РАЗДЕЛ 3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ САУ
В качестве датчика будет использоваться тахогенератор.
Рисунок 4 - Измерение частоты вращения вала двигателя
Вал двигателя жестко соединен с валом тахогенератора. На выходе тахогенератора создается напряжение пропорциональное скорости вращения вала.
Выбираем тахогенератор ТГП-3А. Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока с возбуждением от постоянных кольцевых магнитов. Предназначен для получения напряжения линейно изменяющегося в зависимости от частоты вращения якоря. Максимальная частота вращения якоря 2500 обмин. Крутизна характеристики выходного напряжения тахогенератора на каждые 1000 обмин якоря при нагрузке внешним сопротивлением 4-45 В.70 г. В нашем случае будет 848 В т.к. номинальная частота вращения двигателя будет составлять 2120 обмин.
2. Выбор исполнительного устройства
Как было сказано выше в качестве исполнительного устройства будет использоваться двигатель постоянного тока. По справочникам и прайс-листам различных заводов-изготовителей был выбран следующий двигатель:
Номинальный момент 135 Н*м;
Номинальная частота вращения 2120 обмин;
Максимальная частота вращения 3700 обмин;
Напряжение якоря 440 В;
3. Выбор управляющего устройства
4. Выбор задающего устройства
Управляющее устройство и задающее устройство поставляются в комплекте с промышленным регулятором Р17.
Некоторые технические характеристики:
Напряжение питания 220 В промышленной частоты 50 Гц;
Потребляемая мощность не более 15 ВА;
- индуктивности0..10 мГн
- напряжения0..10 В (будет использоваться именно этот вход)
- токовые 0..5 мА 0..20 мА 4..20 мА
- напряжения 0..10 В.
АНАЛИЗ ТОЧНОЧТИ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ
1. Оценка точности системы в установившемся режиме
Структурная схема системы будет иметь вид:
Рисунок 5 - Структурная схема САУ
На рисункеЗУ - задающее устройство;
Ф - фильтр апериодическое звено;
Р - регулятор (Р17) работает по пропорционально-интегрально-дифференцирующему закону;
ТП - тиристорный преобразователь пропорциональное звено;
ОУ - объект управления (двигатель) колебательное звено;
Д - датчик (тахогенератор) пропорциональное звено.
Передаточные функции звеньев:
Wф(P) = Kф(ТфР+1)Kф=1 Тф=05
Wр(P) = Кр(1+Тр1Р(01Тр1Р+1)+1(Тр2Р))Кр=2 Тр1=1 Тр2=15
Wоу(P) = Коу((Тоу1Р+1)(Тоу2Р+1))Коу=15 Тоу1=3 Тоу2=25
tn = 20время переругулирвания;
= 25перерегулирование;
M = 13колебательность;
= 02статическая ошибка.
Запишем уравнение разомкнутого контура:
Wpk(P) = Wф(P)*Wтп(P)*Wоу(P)*Wд(P) =
= Кф*Ктп*Коу*Кд((ТфР+1)(Тоу1Р+1)(Тоу2Р+1))
Фхз-(Р) = 1(1+Wpk(P)) = 1(1+675((05Р+1)(9Р+1)(25Р+1))) =
= ((05Р+1)(9Р+1)(25Р+1))((05Р+1)(9Р+1)(25Р+1)+675)
Находим статическую ошибку:
Вывод: в соответствии с заданным значением статической ошибки система является точной.
2. Оценка устойчивости системы по заданному методу
Был выбран метод проверки устойчивости по Михайлову. Проверка производилась на ЭВМ в программном пакете MatLab.
Сначала записываем уравнение разомкнутого контура:
Составим характеристическое уравнение:
+ Кф*Ктп*Коу*Кд((ТфР+1)(Тоу1Р+1)(Тоу2Р+1)) = 0
75Р3 + 1025Р2 + 55Р + 675 = 0
Годограф Михайлова удалось вывести на экран следующим образом:
>q=-1.875.*w.^3+5.5.*w;
>p=-10.25.*w.^2+6.75;
>plot(ScopeData(:1) ScopeData(:2))
Рисунок 5 - Годограф Михайлова
Годограф Михайлова проходит последовательно через первый второй и третий квадранты следовательно смоделированная система является устойчивой.
3. Определение структуры и параметров корректирующего устройства
= Кф*Ктп*Коу*Кд((ТфР+1)(Тоу12Р2+Тоу2Р+1)) =
= 1*3*15*15((05Р+1)(9Р2+25Р+1)) =
= 675((05Р+1)(9Р+1)(25Р+1))
Т1 = 05w1 = 1Т1 = 105 = 2
Т2 = 9w2 = 1Т2 = 011
Т3 = 25w3 = 1Т3 = 06
Рисунок 6 - ЛАЧХ разомкнутого контура и скорректированной системы и ЛФЧХ
Lky(w) = Lck(w)-Lнс(w)
T1 = 1w2 = 1011 = 9.09
Wky(P) = (T1P+1)(T2P+1)
Уравнение разомкнутого контура:
Wpk(P) = 675((05Р+1)(9Р+1)(25Р+1))
φ(w) = arctg(k)-arctg(T1P+1)-arctg(T2P+1)-arctg(T3P+1)
φ(w) = -arctg(T1w1)-arctg(T2w1)-arctg(T3w1)
Таблица 1 - Координаты точек для построения ЛФЧХ
По графику было определено что запас системы по фазе равен Δφ=20º по амплитуде ΔL=3 дБ.
РАЗДЕЛ 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ САУ
1. Получение графика переходного процесса на ЭВМ
Сначала в пакете MatLab была смоделирована система при помощи библиотек Simulink и Toolbox. Конечная система имела вид:
Рисунок 7 - Математическая модель системы
2. Оценка качества системы по графику переходного процесса
В пакете MatLab был получен график переходного процесса следующего вида:
Рисунок 8 - График переходного процесса.
По заданию время перерегулирования было равно 20 (tn=20). Судя по графику оно составляет 08.
Перерегулирование было задано значением 25. По графику получаем:
= (Хмах-Х)Х = (08-065)065 = 0246 или 246%
Колебательность системы была задана М=13 по графику переходного процесса получаем:
М = А1А3 = 015006 = 083 Mзад=13
РАЗДЕЛ 6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ САУ
С задающего устройства подается сигнал на сумматор который сравнивает сигнал задания и сигнал обратной связи получая при этом сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на регулятор. На основании сигнала рассогласования по ПИД - закону регулирования формируется управляющее воздействие. Сигнал с регулятора поступает в СИФУ которая в свою очередь изменяет угол управления тиристоров и подает управляющие импульсы на них. Поступивший сигнал в ТП который управляет частотой вращения вала двигателя и преобразуем трехфазное входное напряжение питания ДПТ. ДПТ соединен с валом ТГ который измеряет частоту вращения вала ДПТ и преобразует его в электрический выходной сигнал который в свою очередь поступает через фильтр на сумматор в качестве сигнала обратной связи.
На следующем рисунке представлена принципиальная схема САР.
Рисунок 9 - Принципиальная схема САР